高壓直流斷路器

直流斷路器結合了電力電子器件，是用於開斷直流迴路的斷路器，實現直流開斷的時刻是電流過零點。直流斷路器一般可分為機械式直流斷路器、固態直流斷路器以及混合式直流斷路器。其中電力電子器件的控制和直流滅弧是直流斷路器的關鍵技術。

基本介紹

• 中文名：高壓直流斷路器
• 外文名：Intelligent Control of Permanent MagnetVacuum Circuit Breaker
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 功能：直流線路的開斷閉合
• 類型：機械式、固態、混合式

背景及意義

在輸電領域，為適應新的能源格局，基於常規直流和柔性直流的多端直流輸電系統和直流電網技術成為未來的發展趨勢，多端直流輸電實現了多電源供電、多落點受電，是一種更靈活、快捷的輸電方式，在此基礎上如果將直流輸電線路在直流側互聯形成直流電網，可以有效解決新能源併網帶來的有功波動等問題，在未來城市智慧型配電網、微網等領域也具有較大優勢，對我國未來電網的建設和發展具有重大意義。

直流側故障是直流輸電系統必須考慮的一種故障類型，影響到設備參數的計算和控制保護策略的設計。與交流系統相比，直流系統阻尼相對較低，故障滲透速度更快，滲透程度更深，控制保護難度也更大。隨著多端柔性直流輸電系統的發展，如何處理直流故障成為工程實踐中需要考慮的關鍵問題。

在配電領域，在現代電力電子技術和分散式電源的推動下，直流配電網具有巨大的發展前景。一方面，常見的分散式電源均可發出直流電或經整流後變為直流電，若將這些電源接入直流配網將大大節省換流環節；另一方面，目前很多負荷本身採用直流供電，在直流配電網中無需經過整流環節即可直接給這些負荷供電，從而減小成本並降低損耗。直流配電網線路成本低、輸電損耗小、供電可靠性高，相比交流配電網取得諸多技術和經濟優勢。直流斷路器作為直流保護設備對保證直流配電網安全運行有著重大意義。

綜上所述，為有效抑制故障電流擴散，保證直流輸、配電網安全運行和設備正常工作，直流斷路器將成為有效甚至唯一的技術手段。

國內外發展

機械式直流斷路器

機械式直流斷路器通常是由交流斷路器改造之後得到的，根據滅弧原理的不同，可分為真空斷路器、六氟化硫斷路器、多油(少油)斷路器、壓縮空氣斷路器、磁吹斷路器和產氣斷路器。目前真空斷路器和六氟化硫斷路器已經大範圍替代其他斷路器並在電力系統中得到廣泛套用。真空斷路器利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質，觸頭間隙絕緣強度高，具有安全可靠、壽命長等優勢，廣泛套用在10kV,35kV配電系統中，關斷電流水平可達20-63kA；SF6斷路器使用SF6氣體作為絕緣和滅弧的介質，由於SF6氣體特性優異，使斷口處的電壓和電流參數優於少油斷路器和壓縮空氣斷路器，並且不需要較高氣壓和較多串聯斷口數，在252kV電壓等級套用中開斷電流能力可達40kA。

固態直流斷路器

隨著電力電子技術不斷進步，固態直流斷路器也逐漸興起，基本拓撲如右圖所示。20世紀70年代出現了採用晶閘管關斷的固態直流斷路器；80年代隨著門極可關斷晶閘管(GTO)、絕緣柵極雙極型電晶體(IGBT)等全控器件的誕生，使固態直流斷路器所用器件有了新的選擇。90年代，隨著ABB和日本三菱的集成柵極晶閘管等新型大功率器件的問世，為固態直流斷路器拓撲提供了更多的選擇餘地。

固態直流斷路器基本拓撲

國外在固態直流斷路器研究方面起步較早。1987年，美國研製的200 V/15 A固態直流斷路器以門極可關斷晶閘管作為主開關器件；1999年，Dr. Jefffrey A.Casey等人詳細闡述和列舉了固態直流斷路器在配電網的分布、成本和工程套用；Houston大學隨後研發出電壓等級為500V的固態直流斷路器樣機；2005年，美國電力電子系統研究中心(CPES)研製出2.5 kV/1.5kA和4.5 kV/4kA直流斷路器樣機並通過測試。

國內主要集於直流斷路器電路拓撲的研究，試驗樣機容量較小且集中在航空航天和艦船系統等特殊領域。國內的海軍工程大學開展的套用於艦艇系統的固態斷路器研究側重於低壓、大電流下的開斷和限流等，套用場合受到限制。中國工程物理研究所研製的20 kV晶閘管固態開關側重於晶閘管串聯技術的研究，電流等級較低。

混合型直流斷路器

為充分利用機械開關通態壓降小和電力電子器件關斷速度快的優勢，混合型直流斷路器成為當前研究熱點。混合型直流斷路器可通過機械開關和電力電子器件的合理組合得到，常見的拓撲主要有機械開關與電力電子器件直接並聯、機械開關與電力電子器件先串聯再並聯以及由此衍生出的其他拓撲。

2012年底，ABB公司研發的混合型直流斷路器通過樣機試驗，採用高速機械開關與IGBT先串聯再並聯的拓撲，用於320kV直流輸電系統中，5ms之內斷流能力達9kA。在該拓撲下用新型大功率器件代替IGBT已實現16kA左右關斷能力。

2013年，Alstam公司研發出可在2.5ms內關斷超過3kA電流的混合型直流斷路器，採用機械開關與電感、電容和電力電子器件構成的振盪電路串聯再與電力電子器件並聯的拓撲。

關鍵技術

電力電子器件串、並聯技術

在高電壓、大電流的套用場合，需要電力電子器件串聯提高耐壓能力和並聯提高通流能力，由於器件自身參數差異和外圍電路影響導致的動、靜態均壓、均流問題尤為突出。當電力電子器件作為直流斷路器斷流主支路時，一般不需要並聯即可滿足關斷電流要求，而為了承受較高的開斷過電壓，往往需要大量器件串聯使用，本節將重點分析串聯均壓問題。

電力電子器件串聯電壓不均一般分為兩種情況：靜態電壓不均和動態電壓不均。器件運行過程中會經歷開通瞬態、開通穩態、關斷瞬態和關斷穩態四個工作狀態。在開通穩態和關斷穩態下，串聯各器件電壓基本保持穩定，屬靜態均壓問題;在開通瞬態和關斷瞬態下，串聯各器件電壓動態變化，屬動態均壓問題。由於影響串聯均壓的因素較為複雜，不同工作狀態下應採用不同的均壓策略。

(1)靜態電壓不均原因分析與均壓措施

當串聯各器件處於開通穩態時，只承受很低的通態壓降，由器件參數差異引起的電壓不均對其安全運行影響較小，一般可以忽略不計；當串聯器件處於關斷穩態時，各器件可等效為一個阻值較大的電阻，其上只有很小的漏電流通過，此時器件兩端電壓一般較高，必須採取措施解決電壓不均問題。

為實現靜態均壓，首先應儘量選用參數和特性均一致的器件，此外還可以在串聯各器件集射極之間並聯均壓電阻，當該電阻遠小於器件漏電阻時，電壓分配主要取決於均壓電阻值，該阻值通常應遠低於器件斷態等效電阻，並儘可能的大，

(2)動態電壓不均原因分析與均壓措施

影響串聯器件動態電壓不均的因素主要分為兩類：器件自身參數和外圍電路參數。其中器件自身參數主要包括極間寄生電容、拖尾電流、柵極內阻和雜散電感等，外圍電路主要包括柵極驅動電阻、驅動迴路寄生電感、驅動信號延遲和吸收電路等。

直流滅弧技術

與交流電流相比，直流電流沒有自然過零點，在高電壓等級和高故障電流等級下，如果用機械開關強制斷開直流電流，一方面將產生巨大能量的電弧，對設備安全造成嚴重威脅，另一方面從機械開關動作到其恢復可靠的耐壓能力往往需要數十毫秒，難以滿足速動性的要求。目前為應對滅弧問題多採用以下幾種策略：

(1)研究直流電弧特性並建立準確的電弧模型，研製滅弧能力更強、速度更快的機械開關。

(2)借鑑交流斷路器工作原理，採用振盪電路等方式人為製造電流過零點。

(3)採用包含機械開關和電力電子器件的混合型拓撲，通過合理的開斷時序控制策略，使機械開關實現在極小的電流甚至零電流下開斷。

(4)採用只包含電力電子器件的全固態拓撲，避免電弧。

以上策略各有利弊，如何選擇合理的滅弧方法是直流斷路器面臨的重要問題。

控制與保護

故障電流檢測與判斷

直流斷路器作為開斷故障電流的關鍵設備，其控制系統應準確檢測迴路電流動態變化，可靠識別短路故障、電流暫升和電流波動等各類工況並迅速回響。

電流類保護策略主要有過流速斷保護、電流增量保護和電流變化率保護等。過流速斷保護檢測到電流超過整定值後立即跳閘，一般用於快速切除故障場合，準確性和可靠性較差;電流上升率和電流增量保護根據穩態電流和故障電流上升率之間的差異實現保護，對保護校驗的要求較高，實際中兩種保護以同一個電流上升率整定值作為啟動條件，啟動後進入各自的延時階段，相互配合完成保護功能。兩種保護的動作過程如下：

電流上升率保護通過不斷檢測電流上升率，當其高於保護閾值時，保護啟動並進入延時階段。在延時階段內，若電流上升率一直高於整定值則保護動作，反之則保護返回。

電流增量保護和電流上升率保護在同一時刻啟動，繼電器以啟動時刻電流為基準計算電流相對增量。當電流上升率一直高於電流增量保護整定的斜率且在延時後值達到動作閉值，則保護動作。在電流增量計算過程中，允許電流上升率在短時間內回落到整定值之下，如果這段時間不超過返回延時整定值，保護不返回；反之則保護返回。

分、合閘時序控制策略

隨著直流斷路器拓撲不斷發展，其各部分往往包含不同類型的元件，如全控型器件、半控型器件、機械開關和無源、有源電路等。在直流斷路器動作過程中，各元件之間可靠的時序配合控制策略決定了換流過程和關斷過程能否正常進行，對電力電子器件運行在安全工作區也具有重要意義。

一般而言，對於含有多條並聯支路的直流斷路器拓撲，合理的分、合閘時序應滿足以下基本要求：

(1)動作時刻按電流閉值整定並考慮各元件動作延時，動作持續時間滿足熱設計要求。

(2)保證機械開關在零電弧或小電弧下分斷。

(3)在某條支路開斷時，應保證上一條通流支路已完全換流並可靠開斷。

(4)避免電力電子器件過壓、過流。

(5)防止能量吸收支路避雷器誤動作。

套用

在多端柔性直流輸電系統中的套用

直流側故障影響到設備參數的計算和控制保護策略的設計，是直流輸電系統必須考慮的一種故障類型。雖然處理直流側故障有三類方法，但由於技術方面的制約，目前實際工程中仍採用交流側斷路器隔離故障。在這種處理方式下，系統檢測到故障後閉鎖換流站以防止橋臂過流，然後跳開各換流站交流側斷路器，切斷交流側電流饋入，直流電流隨著橋臂電抗能量釋放逐漸減小至零，最後跳開故障線路兩端的快速直流開關。而其他換流站需要再次閉合交流斷路器重新啟動。這種處理策略在每次故障時都需要跳開交流斷路器，使直流系統與外界交流系統解開，計及故障檢測、識別、交流斷路器動作和快速直流開關動作，整個故障清除過程長達數百毫秒，這將降低直流輸電系統的可利用率。

由於多端柔性直流輸電系統存在多種短路類型和短路點，短路電流變化複雜，為使本文提出的直流斷路器拓撲用於多端柔性直流輸電系統時能夠更加可靠的處理直流側故障，需要對直流側故障機理和各種故障類型下的電流變化規律進行研究，同時應結合系統原有的直流側故障保護方法和直流斷路器控制策略，合理整定直流斷路器動作時序，確保整個系統安全可靠運行。

不同類型直流側故障機理

採用雙極對稱傳輸方式的模組化多電平多端柔性直流輸電系統，其直流側故障一般分為三類：單極短路故障、雙極短路故障和斷線故障。單極短路故障時，由於直流側經大電阻接地，近似開路，子模組電容沒有放電通路，電容電壓基本維持穩定；雙極短路故障時，在換流器閉鎖前，子模組電容通過上部全控器件形成放電迴路，如右圖a所示，同時交流系統通過子模組下部二極體構成能量饋流迴路，相當於三相短路，如右圖b所示，此時子模組電流由兩者疊加構成，換流器閉鎖後，全控器件關斷，交流系統繼續通過右圖b所示電路饋入電流，直到交流側斷路器動作切斷饋流迴路。

雙極短路故障電流通流

直流斷路器需求分析與參數配置

在直流斷路器套用環境下，多端柔性直流輸電系統主要故障類型可分為平抗內短路，平抗外短路和架空線路短路，每種短路又分為單極短路和雙極短路。在各種類型短路故障中，換流站近端平抗內、外側雙極短路是較為嚴重的故障類型，其中又以平抗內雙極短路故障最嚴重。2ms之內故障電流可達7kA，峰值電流17kA。

直流斷路器應滿足上述最嚴重故障下的動作要求。日前多端柔性直流系統直流側故障保護方式主要有橋臂過流保護和閥直流過流保護，兩者原有保護方案均取最高值為2p.u.，動作延時0.2ms，故障電流達到閾值時換流器啟動閉鎖保護，同時交流側斷路器動作切斷交流電流的饋入。為最大限度抑制故障發展，使系統在故障恢復後能夠快速地重新建立直流電壓，直流斷路器應在換流器閉鎖之前動作，即使不能滿足也應保證在換流器閉鎖之後、交流側斷路器動作之前動作。在較低閾值的保護水平下，換流器將在1ms內閉鎖，因此直流斷路器也應在1ms內動作，在系統其他參數不變時直流斷路器難以滿足該要求。

為保證直流斷路器可靠動作，對於故障電流水平較低的故障類型，提高原保護電流整定閾值即可滿足要求；對於大容量換流站近端較嚴重的故障類型，除提高電流閾值之外，還應為直流斷路器配置限流電感以限制電流上升率。

結論與展望

結論

直流斷路器作為迅速有效處理直流故障的關鍵設備，將在未來多端直流輸電和直流電網技術的發展中起到關鍵作用。直流斷路器理論和拓撲的研究己經開展很長時間，但直流滅弧、電力電子器件串聯均壓和能量吸收等一系列問題仍有待解決。高壓直流輸電電網的迅速發展對高壓直流斷路器也提出了越來越迫切的需求。從各種直流斷路器的技術特徵和目前的研究水平來看，混合式直流開斷技術和基於人工過零的直流開斷技術是最具工程套用潛力的方案。

展望

高壓直流斷路器理論研究和樣機研製尚未成熟，在實際工程中還未得到廣泛套用，對其關鍵技術的研究仍存在諸多不足之處：

（1）對直流網路的建模是基於簡化的單向潮流模型，實際的直流輸、配電網結構複雜，潮流方向也具有不確定性。如何建立更為詳細的系統模型並在此基礎上對故障電流特性進行更準確的描述，為直流斷路器設計提供更為可靠的依據是後續研究的重點。

（2）在電力電子器件串聯均壓問題的研究中，重點考察關斷過程動態均壓問題和負載側吸收電路，其他狀態下的均壓問題和柵極主動均壓策略仍有待研究。

（3）未對直流斷路器能量吸收支路避雷器進行詳細研究，仿真中採用通用模型，而實際中避雷器參數設定對直流斷路器可靠運行起著關鍵作用；此外本文的研究仍處於理論分析和仿真模擬階段，下一步將開展樣機設計和試驗驗證。